煤与瓦斯突出能量耗散理论分析与试验研究

为了深入研究煤与瓦斯突出的机制,从能量角度对煤与瓦斯突出有进一步认识和理解,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,采用理论分析与试验相结合的方法,对煤与瓦斯突出的能量耗散情况进行深入分析,得到弹性潜能和瓦斯内能的计算表达式。建立煤巷掘进煤与瓦斯突出力学模型,得到突出煤体与堆积位置的数学函数关系式,并根据突出煤体的堆积状态和破碎情况,计算突出煤体的移动功、摩擦功和破碎功,从而构建煤与瓦斯突出和煤、瓦斯的物理力学参数、巷道结构参数之间的突出条件式。研制高压气体瞬间对称卸压破煤试验装置,从试验角度分析煤的力学性质、瓦斯和地应力对煤与瓦斯突出的影响因素,对煤与瓦斯突出进行试验模拟。试验结果表明:突出煤的抗压强度、坚固性系数明显低于非突出煤;在单因素瓦斯作用下,较低的瓦斯压力不能使完整的煤体破碎抛出,地应力对煤与瓦斯突出有着重要影响;煤与瓦斯突出是一个温度下降过程。     

煤与瓦斯突出关键结构体致灾机制

 为了进一步完善煤与瓦斯突出机制,通过对已有研究成果和煤与瓦斯突出地质结构环境的总结分析,将煤与瓦斯突出机制研究与工程结构相结合,提出煤与瓦斯突出的关键结构体模型,并对煤与瓦斯突出过程进行剖析,通过理论分析建立煤与瓦斯突出启动的力学判据Cm和能量判据Ce,形成煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论。研究结果表明：地质构造运动形成构造煤体,营造利于突出发生的高应力环境,提供利于瓦斯保存和突出启动的地质结构环境;突出煤体具备高能瓦斯和构造煤的介质属性,是煤与瓦斯突出的基本条件,也是突出过程中能量的主要来源,关键结构体是煤与瓦斯突出得以成功启动的必要条件;依据关键结构体模型,煤与瓦斯突出分为准静载作用下的延迟突出(D-QSL)和动载作用下的瞬时突出(I-DL)2种类型;煤与瓦斯突出过程经历准备、启动、发展和终止4个阶段,突出准备阶段始于地质构造运动对煤体的改造,突出激发表现为结构2的突变失稳,隶属于突出准备阶段,突出能否成功启动决定于结构1的力–能条件;利用关键结构体模型和突出启动的力–能判据能够揭示典型煤与瓦斯突出事故的启动机制,可为煤与瓦斯突出预测与防治提供指导。     

煤/瓦斯突出过程中的能量释放机理

将煤／瓦斯突出过程中能量释放的热动力学过程应用于煤层中瓦斯气迁移理论的有限元分析方法中,提出了 一种分析煤／瓦斯突出过程的能量释放机理。通过数值分析比较煤层发生突出所必须的弹性功与煤／瓦斯突出过程中 所释放的瓦斯内能,发现瓦斯解吸附所释放出的能量是引起煤／瓦斯突出的主要原因。此外,还进一步讨论了在等温 和绝热情况下煤／瓦斯突出过程中能量释放的机理。     

水力掏槽期间突出能量及冲击波压力差分析

从诱发煤与瓦斯突出的根源入手,分析了水力掏槽槽硐中突出能量、突出后巷道中冲击波压力差的影响因素及作用,通过突出能量、冲击波压力差作用关系,定量分析突出后吨煤能量在巷道中产生的冲击波压力差,以供参考。     

断层应力状态对煤与瓦斯突出的控制

在建立断层面受力模型的基础上,通过断层面正应力和孔隙压力关系分析影响断面附近煤与瓦斯突出的关键参数,重新定义封闭系数并引入剪切指数概念,以此判断断层的封闭性及结构稳定性。研究发现,正应力大小与断层走向锐夹角正相关,而切应力与走向锐夹角关系取决于最大、最小水平应力和与正应力比值;在断层附近发生煤与瓦斯突出,依据断层结构参数和应力场差异,瓦斯压力存在极值条件,结合构造煤分布及瓦斯压力与正应力关系将其分为两大模式:流压控制型(FPC)和流–固耦合型(FSC),并通过一个具体案例证实断层应力状态对煤与瓦斯突出的控制。     

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在：煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。     

三维应力下煤与瓦斯突出模拟试验研究

 煤与瓦斯突出实质是开采扰动下含瓦斯煤体在三维应力作用下突然发生的力学失稳破坏,严重威胁着煤矿安全生产。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾煤矿突出煤粉压制而成的型煤为研究对象,利用自主研制的煤与瓦斯突出仪,进行煤层埋深－600 m,在轴压、围压、孔隙压三维应力条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以探求煤与瓦斯突出规律。试验再现煤与瓦斯突出孔洞口小腔大、突出煤粉分布具有分选性等突出特征现象,验证煤与瓦斯突出模拟仪的可靠性。通过对试验结果分析,划分6个突出区域,得到以下新认识：突出煤粉质量分布具有区域性特征,存在煤粉质量极值区和均值区。突出试验现象表现为瓦斯–煤气固两相射流特征,为引入射流理论研究煤与瓦斯突出机制提供新思路。突出煤粉量极大值区域位于突出中远区,是瓦斯–煤气固两相射流突出破坏能量的耗散阶段区域。不同粒径突出煤粉分布具有明显的波动分布特性。煤粉质量极大值区以较小粒径煤粉为主,煤粉质量极小值区以较大粒径煤粉为主,突出末端区域以较小粒径煤粉为主。指出高压瓦斯是突出发生的动力源和煤体粉碎粉化的破坏源,煤与瓦斯突出能量释放具有波动性特征。试验结论对煤与瓦斯突出的机制认识具有重要参考价值。     

煤与瓦斯突出模拟试验研究

 以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明：研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。     

煤与瓦斯突出自适应小波基神经网络辨识和预测模型

由于煤与瓦斯突出是一典型的复杂非线性动力系统,影响因素很多,如应力、煤层特征、构造等,且各影响因素相互关联,因此,采用非线性人工神经网络进行煤与瓦斯突出的模式辨识与预测是十分必要的。针对具体的不同煤层条件,建立自适应小波基神经网络激活函数模型,用于煤与瓦斯突出系统的辨识和预测,实现由网络本身自动确定神经单元的数目,避免人为因素的影响,提高辨识和预测的可靠性和智能化程度。实例分析结果表明,所建立的自适应小波基神经网络激活函数模型,辨识和预测精度高,具有重要的推广应用价值。     

基于改进的GA-ELM煤与瓦斯突出预测模型

为准确、快速地预测煤与瓦斯突出,提出了一种基于因子分析和遗传算法(GA)优化极限学习机(ELM)的煤与瓦斯突出危险性预测模型。构建10种影响因素的煤与瓦斯突出评价指标体系,采用因子分析法对评价指标体系进行分析提取,将提取出的5个公因子作为ELM的输入参数,为避免ELM输入权值和隐含层偏差随机性的影响,应用GA对ELM模型参数进行优化,构建GA-ELM模型,选取20组实例进行仿真预测,同时与传统单一的ELM、SVM和BP模型进行对比分析。结果表明:基于改进的GA-ELM模型能有效降低数据冗余、简化网络结构和提高判别精度,提出将其运用到煤与瓦斯突出的预测与实际结果具有很好的一致性。     

煤样中初始释放瓦斯膨胀能的测定

介绍了测定煤样中初始释放瓦斯膨胀能的原理和测定方法，设计了一套初始释放瓦斯膨胀能的测定装置。通过对突出与非突出煤样的测定表明，煤样中初始释放出来的瓦斯膨胀能要比后期涌出的瓦期膨胀能大得多，并且随着煤样初始释放瓦斯膨胀能的增大，揭煤时的动力现象也增大。     

基于声发射能量分析的煤与瓦斯突出前兆特征试验研究

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中最严重的动力灾害,其突出机制不清制约了灾害预警的可靠性和有效性。采用声发射监测技术,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出模拟试验装置,结合DS5系列全信息声发射信号分析测试系统,开展深部矿井不同埋深下煤与瓦斯突出相似模拟试验,分析煤与瓦斯突出能量演化过程,建立声发射参数特征与煤与瓦斯突出前兆信息关系指标。研究结果表明:(1)煤与瓦斯突出过程经历了孕育前期、孕育后期、激发–发展和终止4个阶段,突出过程中声发射能量信号经历了"平稳→升高→峰值"的演化过程,表明煤与瓦斯突出是一个煤体破坏和能量积累的力学过程。(2)在突出孕育前期AE能量处于较低水平,累计AE能量上升平稳,低能级频次占主导地位,突出危险性较弱;孕育后期AE能量大幅度增加,累计AE能量上升加快,高能级频次占主导地位,突出危险性较强。突出孕育不同时期AE能量信号的差异性可作为突出前兆信息,用于实时监测煤岩内部破裂动态变化情况,对突出预测、预警具有指导意义。(3)从声发射能量角度定义了反映煤与瓦斯突出孕育阶段危险性强弱的量化指标,为深部开采煤与瓦斯突出动力灾害预测预警提供科学参考。     

煤与瓦斯突出过程的细观机制研究

 煤与瓦斯突出过程是地下煤矿开采中的一个很复杂的动力灾害问题。在综合收集整理国内外煤与瓦斯突出模拟研究基础上,以颗粒法为基础,建立数值模型和模拟过程,对煤与瓦斯突出过程中相关的微裂纹和位移演化、应力和速度场演化、瓦斯压力和颗粒分层刚度比等细观机制进行模拟和研究。研究结果表明：采用颗粒法模拟所得出的煤与瓦斯突出过程是一个相对很快的动力过程,发生的时间极短,煤岩体损伤主要以拉裂纹为主,剪切裂纹主要集中在瓦斯突出前端,而拉裂纹则深入到煤岩体中的更深部位;同时研究认为瓦斯压力对煤岩体损伤有很大影响,当瓦斯压力相对较小时,剪切裂纹主要在分布侵入体前端,而拉裂纹则沿着侵入煤岩体贯入一定的深度。当瓦斯压力相对较大时,剪切裂纹与拉裂纹贯入深度基本一致,且在煤岩体的损伤中,剪切裂纹比例随之增大;最后对模型中的分层刚度比与裂纹分布形态和应力分布进行了研究,当分层刚度比不相同时,其裂纹传播速度和形态都不相同。这些研究对于认识瓦斯突出机制和瓦斯突出防治提供了理论基础。     

地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用

 在基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路的基础上,在实验室搭建大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台,利用该试验平台研究石门揭构造软煤过程中煤岩应力的变化规律,同时结合数值模拟分析地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用。结果表明：在石门揭煤过程中巷道前方围岩存在明显的应力集中,使煤体中积聚弹性潜能,增加煤体的瓦斯压力梯度,为突出的准备和孕育提供能量基础;发现地质构造断层附近存在明显的构造应力异常区并与由后期开挖导致的应力集中相互叠加,有利于形成自构造软煤向周围煤层深部扩展的大型突出。     

基于属性数学理论的隧道瓦斯突出危险性评价

以贵州山区某过煤层瓦斯隧道为例,根据影响隧道瓦斯突出的关键地质因素,选取瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数、煤体结构类型等参数作为隧道瓦斯突出评价的关键指标,采用属性数学理论建立隧道瓦斯突出危险性预测模型,对隧道瓦斯突出危险性进行了评价。在模型构建过程中,首先依据隧道瓦斯突出危险性分级标准,构建各评价指标的属性测度函数,进而结合隧道施工现场实测的相关指标参数,计算各煤层的单指标属性测度及综合属性测度,建立起评价指标测度与属性之间的关系,最后利用置信度对多因素影响下瓦斯隧道的综合属性进行判识,进而实现对隧道瓦斯突出危险性的评价。评价结果显示:过煤层隧道穿越M₅、M₉煤层时,隧道具有强突出危险性,穿越M₄煤层时隧道突出危险性相对较小,隧道施工过程中应加强M₅、M₉煤层的消突和防突措施,以防灾害事故的发生;评价结果与工程现场显示的瓦斯动力现象相一致,具有较高可信度。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的改进及应用

 为确保更好的煤与瓦斯突出模拟试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对其突出模具及其配套的煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和面密封等全方位密封技术可使突出模具在2 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠3组直径不同的圆形突出口装配,可在不更换突出模具的条件下进行不同突出口径的煤与瓦斯突出模拟试验,经济实用;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器与配套的试验控制软件连接,可较方便地实时监测突出过程中煤体内温度及其瓦斯压力的变化规律;研制的独立煤试件成型装置可准确实施预定的成型压力,且操作过程较为灵活、方便。利用改进后的煤与瓦斯突出模拟试验台开展的模拟试验表明,在瓦斯压力、突出口径方面均存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阈值,高于此阈值时,瓦斯压力或突出口径愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎作用。此外,煤与瓦斯突出过程中煤体的温度变化也印证了煤吸附瓦斯放热和解吸瓦斯吸热这一物理现象。     

吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响与能量分析

煤层中高压瓦斯主要以吸附态为主,为了研究吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响,利用吸附性依次增强的氦气、氮气、甲烷和二氧化碳模拟相同气压下吸附瓦斯含量的不同。将0.75 MPa的上述4种气体充入物理力学性质相同的型煤并充分吸附,模拟游离瓦斯含量相同、吸附瓦斯含量不同的煤体,考虑4种不同强度型煤开展16次瞬间揭露试验。试验发生9次持续时间1 s左右的突出现象,对于低强度型煤试验不吸附的氦气也发生突出现象;试验结果表明随吸附气体含量增加,型煤发生突出的风险增大,吸附气体含量越大其突出强度越大。提出吸附气体膨胀能的测定方法,根据突出能量公式计算发生突出的煤体弹性能、吸附及游离气体膨胀能等突出潜能和煤体破碎功、抛出功等突出耗能,突出潜能与突出耗能基本相等验证吸附气体膨胀能测定方法的合理性。能量分析表明参与突出过程的吸附气体膨胀能占总气体膨胀能的7.9%~32.3%,占突出潜能的6.5%~25.6%,且其占比随吸附气体含量增大而增大。研究成果为揭示、量化吸附瓦斯含量在突出中的作用提供参考和依据。     

煤巷卸压槽及其防突作用机理的初步研究

本文应用弹塑性力学、相似理论、岩体力学等知识，探讨了煤巷卸压槽的防突作用机理；并进行了实验室的模拟试验，得出了煤巷卸压槽开挖后煤体周围应力分布状态。研究表明：煤巷卸压槽能够防止煤和瓦斯突出的必要条件在于卸压槽开掘后应能形成较大范围的卸压区。